德州儀器：S參數(shù)究竟是什么？

德州儀器

2019-06-04 16:30 8796

近日，德州儀器對散射參數(shù)（S參數(shù)）進(jìn)行了深入研究及分析。

北京2019年6月4日 /美通社/ -- 近日，德州儀器對散射參數(shù)（S參數(shù)）進(jìn)行了深入研究及分析。現(xiàn)代高速模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC）已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了射頻（RF）信號的直接采樣，因而在許多情況下均無需進(jìn)行混頻，同時也提高了系統(tǒng)的靈活性和功能。

傳統(tǒng)上，ADC信號和時鐘輸入都采用集總元件模型來表示。但是對于RF采樣轉(zhuǎn)換器而言，其工作頻率已經(jīng)增加至需要采用分布式表示的程度，那么原有的方法就不適用了。

本系列文章將從三個部分入手，說明如何將散射參數(shù)（也稱為S參數(shù)）應(yīng)用于直接射頻采樣結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)。

起決定性作用的S參數(shù)

S參數(shù)就是建立在入射微波與反射微波關(guān)系基礎(chǔ)上的網(wǎng)絡(luò)參數(shù)。它對于電路設(shè)計(jì)非常有用，因?yàn)榭梢岳萌肷洳ㄅc反射波的比率來計(jì)算諸如輸入阻抗、頻率響應(yīng)和隔離等指標(biāo)。而且由于可以用矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀（VNA）直接測量S參數(shù)，因此無需知曉網(wǎng)絡(luò)的具體細(xì)節(jié)。

圖1所示的是一個雙端口網(wǎng)絡(luò)的例子，其入射波量為a_x，反射波量為b_x，其中x是端口。在該討論中，我們假設(shè)被測器件是線性網(wǎng)絡(luò)，因此適合采用疊加法。

圖1：雙端口網(wǎng)絡(luò)波量

通常情況下，在測量所有端口上的反射波時，VNA一次只刺激一個端口（通過將入射波推到該端口）。而且所測量的這些波量是非常復(fù)雜的，因?yàn)槊總€波量都有相應(yīng)的振幅和相位。因此，這個過程需要針對每個測試頻率下的每個端口不斷重復(fù)。

對于雙端口器件，我們可以從測量數(shù)據(jù)中形成四個有意義的比率。這些比率通常用s_ij表示，其中i表示反射端口，而j表示入射端口。正如上文提到的，假設(shè)一次只刺激一個端口，那么其他端口的入射波為零（用系統(tǒng)的特性阻抗Z₀來表示終止）。

方程式1至4適用于四個雙端口S參數(shù)。S₁₁ and S₂₂ 分別表示端口1和端口2的復(fù)阻抗。S₂₁表示傳輸特性，端口1為輸入，端口2為輸出（S₁₂ 與之相同，但端口2為輸入，端口1為輸出）。

S₁₁ = b₁/a₁，a₂= 0                     (1)
S₂₁ = b₂/a₁，a₂= 0                     (2)
S₁₂ = b₁/a₂，a₁= 0                     (3)
S₂₂ = b₂/a₂，a₁= 0                     (4)

對于單向器件而言，如放大器（端口1為輸入，端口2為輸出），可以用S₁₁表示輸入阻抗，用S₂₁表示頻率響應(yīng)，用S₁₂表示反向隔離，用S₂₂表示輸出阻抗。數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器也是一種單向器件，但其端口2通常為數(shù)字輸出，這對測量和解讀都會產(chǎn)生一定的影響。

將S參數(shù)擴(kuò)展到多端口器件和差分器件

可以將S參數(shù)框架擴(kuò)展到任意數(shù)量的端口，有意義的參數(shù)數(shù)量為2^N，其中N表示端口數(shù)量。許多集成電路由于振蕩和共模抑制能力增強(qiáng)而具有差分輸入和輸出。射頻采樣ADC（如TI的ADC12DJ5200RF）通常具有差分射頻輸入和差分時鐘輸入。我們還可以進(jìn)一步擴(kuò)展S參數(shù)框架，以支持差分端口。

為滿足嚴(yán)苛的應(yīng)用要求而設(shè)計(jì)？

使用超高速ADC以滿足未來測試和測量應(yīng)用的需求

如圖2所示，對于差分端口來說，我們必須區(qū)分共模波和差模波。兩種模式具有相同的入射振幅，但差模入射波具有180度的相移，而共模入射波具有相同的相位。